抽水蓄能电站拦污栅栅叶体型优化研究.doc

抽水蓄能电站拦污栅栅叶体型优化研究陈文学 , 李长河 , 吴一红 , 高建标( 中国水利水电科学研究院 水力学研究所 , 北京 100038)摘要 : 抽水蓄能电站拦污栅的运行条件比常规水电站要恶劣得多 , 拦污栅破坏的机率也更高 , 研究不同体型栅叶的振动响应规律对拦污栅体型设计和拦污栅的安全运行具有十分重要的意义 。本文在 Nguyen 等人研究成果的 基础上 , 实验研究了长宽比为 8 的不同形状前后缘栅叶的振动响应特性 , 研究表明栅叶前后缘形状是影响栅叶振动强弱的主要因素 , 大倒角栅叶 ( 接近流线型栅叶) 既有较好的振动响应特性 , 又有很好的局部阻力特性 ,因此在拦污栅体型设计中应优先采用 。关键词 : 抽水蓄能电站 ; 拦污栅 ; 振动响应 ; 优化中图分类号 : TV73212文献标识码 : A与常规电站的拦污栅相比 , 抽水蓄能电站拦污栅的运行条件要恶劣得多 。例如 , 在发电工况时 ,由于尾水管中旋涡的影响 , 高速旋涡水流常以一定的冲角冲击尾水拦污栅 , 栅前平均流速较高 , 且流 速分布不均 , 最大流速与平均流速之比为 112313 , 某些工程的栅前局部流速高达 710ms1 , 使拦污栅脱落涡的频率加大 , 增加了栅叶共振的可能性 。因此 , 与常规电站相比 , 抽水蓄能电站拦污栅破 坏的机率更高 。美国有半数抽水蓄能电站的拦污栅发生了破坏 , 比利时 、德国 、捷克等均有拦污栅发生破坏的报道2 ,5 , 且以发电工况时下库拦污栅破坏为主3 。所以 , 对拦污栅体型进行研究具有十分重要的意义 。拦污栅设计时应保证其具有足够的刚度和较高的固有频率 (包括流向固有频率和垂向固 有频率) , 且有较小的局部阻力系数 。生产实际中采用的垂向栅叶的长 ( c) 宽 ( d) 比变化较大 , 一 般在 3122 ,3 ,4 之间 。栅叶与栅叶之间的间距变化也较大 , 间距与栅叶的宽度之比在 411 之间 。如十三陵抽水蓄能电站拦污栅栅叶的长宽比为 7127 , 栅叶间距与栅叶宽度之比为 11136 。Nguyen 等人6研究了不同长宽比拦污栅的流态差异 , 并建议最好采用方形前后缘断面栅叶 , 他们推荐的长宽比是 812 。本文在 Nguyen 等人研究成果的基础上首次提出了具有较小阻力系数和较好振动响应特性的接 近流线型的栅叶 , 研究成果对拦污栅的设计和类似绕流体的设计具有指导意义 。1 拦污栅振动的影响因素拦污栅流激振动的振源可以分为 3 类 : (1) 栅叶后面的脱落涡 , 即卡门涡街 ; (2) 湍流脉动激振 ; (3) 自激振动 。引起拦污栅破坏的主要因素是栅后的脱体涡和湍流的低频脉动 。拦污栅周围的流 动属钝体绕流类 , 其流动特征是钝体后存在脱体旋涡 , 受脱体旋涡的影响 , 拦污栅表面的作用力发生周期性的变化 , 拦污栅也随之而振动 。当拦污栅表面作用力的周期与拦污栅的固有频率一致或接近时 , 引起拦污栅共振 , 从而导致拦污栅的破坏 。湍流的脉动频率较低 , 引起拦污栅振动的幅值也较 小 , 但是在湍流的长期作用下 , 尤其是拦污栅绕流状况较差时 , 如来流以一定的冲角冲击栅叶时 , 拦污栅可能会发生疲劳破坏 。因此 , 防止拦污栅振动破坏的关键是改善栅叶的振动响应特性 , 即改善栅 叶的绕流特性 。影响拦污栅绕流特性的主要因素有栅叶的剖面形状 、栅叶的长宽比和栅叶的间距及来流条件等 。收稿日期 : 2003206223基金项目 : 国家电力公司科技项目 ( SPKJ 006207)拦污栅栅叶的剖面形状一般为矩形 , 其长宽比较大 , 一般在 310 之间 。Nakagawa 等9 和 Taniguchi等10研究表明 , 对于矩形剖面绕流体 , 当长宽比小于 2 时 , 柱体周围的流态与方柱相似 ; 长宽比在 2到 3 之间时 , 流动由两种机制决定 , 一是柱体前缘分离剪切层形成的旋涡 , 该旋涡又称 Bloor2Gerand旋涡11, 源于 Kelvin2Helmholtz 不稳定性 , 一是柱体后缘分离剪切层形成的旋涡12 ; 长宽比大于 3(Nakamura13 认为长宽比大于 5)栅体作用产生大尺度旋涡结构13时 , 流动在柱体前缘分离 , 并在左右侧面再附 , 不稳定的剪切层与, 随后在后缘分离形成卡门涡街 。多柱体并列时 , 由于柱体相互干扰 , 流动比较复杂 。以双并列圆柱为例 , 当柱体间距 s 与柱体直径 d 之比大于 4 时 , 两柱体绕流间无干扰 ; 2 sd 4 时 , 柱体后的旋涡同时产生 , 涡街协调脱落 , 即同时在内侧脱落 , 或同时在外侧脱落 , 脱落涡的频率与单柱体时一样 , 柱体的升 、阻力随 sd 的增 加而减小 ; 112 sd 210 时 , 柱体间的流体间歇性地偏向两个柱体 , 柱体后的尾迹长而窄 , 与不稳定流动对应的斯特罗哈数有两个 ; sd 112 时 , 两柱体后形成单涡街 , 两柱体与单钝体相似 , 间距 比减小时 , 升阻力系数增加 。本文将根据拦污栅的实际结构尺寸 , 研究不同栅叶的振动响应特性并寻求改善其振动响应特性的 具体措施 。2 试验装置和试验方法拦污栅剖面前后缘有方形和半圆两种型式 , 拦污栅的间距与栅叶宽度比一般在 412 之间 , 栅叶间几乎没有干扰 。Nguyen 等人通过对不同长宽比栅叶的振动研究发现长宽比为 812 的栅叶的振动较图 1 栅叶剖面尺寸 ( 单位 : mm)小 , 并建议尽可能采用方形前后缘剖面的栅叶 。为了深入分析影响拦污栅振动的主要因素及优化拦污栅的体型 ,我们研究了几种栅叶的振动响应特性 , 栅叶的长宽比为8 , 栅叶的宽度为 20mm , 高度为 600mm , 栅叶尺寸与原 型尺寸相当 。栅叶的剖面见图 1 。试验在宽 110m 的水槽中进行 , 试验段距进水口约3m , 距出口约 3m , 出口采用不同间隔的栅格控制水槽中 的流量 。每组试验安装 3 根栅叶 , 栅叶的间距为 200mm , 即间距与栅叶的宽度比为 10 。考虑到拦污栅栅叶的纵向 刚度远大于横向刚度 , 栅叶易于发生横向振动 。为便于研究栅叶的横向振动响应特性 , 将左右两根栅叶固定 , 中间栅叶悬空 , 栅叶的底端距水槽的底面控制在 2mm 左 右 , 中间栅叶与一钢板相连 , 钢板左右前后均装有弹簧 ,图 2 拦污栅振动试验装置 ( 单位 : mm)以改变系统的刚度 。试验中通过改变系统的固有频率和来流流速 , 即可测定栅叶的振动响应特性 。试验装置见图 2 。栅叶的振动大小采用国家地震局工程力学研究所生产的 891 型测震仪量测 , 拾震器安装在与中间 栅叶相连的钢板上 , 流量用矩形量水堰量测 , 断面平均流速由流量和水深求出 。为了确定栅叶脱落涡 的频率 , 在距栅叶后缘 6cm 处安装了 1 支三维超声波流速仪 (ADV) , 采样频率为 50 Hz , 采样时间为85s , 由瞬时流速的功率密度谱可以求出栅叶脱落涡的频率 。试验时保持水深不变 (50cm) , 首先测量 系统的静水频率 , 然后改变流速和系统的固有频率 , 测量栅叶的振动响应值 。3 固定栅叶的尾流特性栅叶下游的脱落涡是引起栅叶振动的主要原因 , 因此 , 比较不同栅叶的尾流特性有助于分析不同栅叶的振动响应特性 。测量栅叶尾流脉动流速时将各栅叶固定 , 来流的紊动度在 010701085 范围内 变化 。不同体型栅叶尾流脉动流速的功率谱密度曲线见图 3 。为度量脱落涡引起的激振力的大小 , 引 入参量 , 其定义如下 : = Pi P(1)式中 : Pi 和 P 分别是主频左右 015 Hz 范围内的脉动流速的能量和脉动流速的总能量 。越大 , 表明脱落涡的强度越强 , 施加在栅叶上的激振力也越大 。不同体型尾流的斯特劳哈尔数 St ( St = f dV , 这里 f 、 d 、V 分别是脱落涡的主频 、栅叶的厚度 和来流平均流速) 、功率密度谱的能量比 如表 1 所示 。表 1 不同体型栅叶的尾流特性体型来流流速 (cms)来流紊动度 Tu主频 fSt171151812215181141381616215119010690108501080010840107401074116621151156114621932125011901240120012001350130013701480133015301280164S8B8C8D8E8F8 G8 15117 01074 2154 0133 0144 图 3 固定栅叶尾流的功率谱密度曲线从表 1 中可见 , 体型 C8 和 S8 尾流脉动流速的功率密度谱的能量比比较接近 , 当栅叶前缘小倒角时 , 尾流脉动流速的功率密度谱的能量比增加 , 体型 B8 、D8 和 F8 尾流的功率密度谱能量比分别是0148 、0153 和 0164 , 表明栅叶的前缘对栅叶尾迹的特性有较大的影响 , 进而对栅叶的振动特性有较大 的影响 。当栅叶前后缘倒角的长度进一步增加时 , 尾流脉动流速的功率密度谱的能量比逐渐减小 , 体 型 G8 和 E8 的 值分别降至 0144 和 0128 。在所研究的这几种栅叶体型中 , 栅叶尾流脱落涡激振力最小的是体型 E8 。上述测量结果表明通过改变栅叶前后缘的形状可以改变栅叶的振动响应特性 。4 拦污栅振动响应结果分析411 拦污栅振动响应试验控制 栅叶是由有机玻璃加工而成 , 其弹性模量较小 , 固有频率较低 , 为了测量栅叶的振动响应曲线 , 试验中通过改变测试系统的质量 , 弹簧的数量和刚度来改变系统的固有 频率 , 同时改变来流流速的大小 , 从而可以在较宽的范围内研究栅叶的振动响应特性 。试验中最大的 来流流速是 0173ms (雷诺数为14 600) ,最小流速为 0103ms (雷诺数为 600) 。412 不同体型栅叶的振动响应特性与分析 为了比较不同栅叶的振动响应特征 , 引入折合流速 UrUr = Uf d式中 : U 是来流平均流速 , f 为栅叶的静水频率 , d 是栅叶的厚度 。(2)栅叶振动的大小用无量纲量 Ad 度量 , A 为栅叶位移信号的均方根 。不同栅叶的振动响应曲线见图 4图 6 。图 4 栅叶振动响应曲线图 5 栅叶振动响应曲线比较栅叶 B8 和 C8 的振动响应曲线可见 , 对栅叶前缘小倒角体41211不同体型栅叶振动响应特性型 B8 , 折合流速为 31874104 时 , 栅叶的振幅增加 , 折合流速的倒数与水流的斯特劳哈尔数 ( 体型B8 的斯特劳哈尔数为 0124) 很接近 , 表明在该范围内拦污栅发生了共振 ; 共振区后 , 随着折合流速 的增加 , 栅叶的振动幅值逐渐增加 。对栅叶后缘小倒角体型 C8 , 低折合流速区没有发生共振 , 高折 合流速时振动幅值略为增加 。类似地 , 体型 C8 和 D8 后缘形状相同 , C8 前缘为方形 , D8 前缘有一小 倒角 (10mm) , 体型 D8 存在一明显的共振区 , 而 C8 则没有共振区 。因此 , 对长宽比较大的栅叶而言 , 栅叶前缘形状对栅叶的振动响应特征影响甚大 。如前所述 , 当栅叶长宽比大于 5 时 , 水流在栅叶的前缘分离 , 并在栅叶前缘后表面上再附 , 形成大尺度旋涡 , 该旋涡随后在后缘处分离形成卡门涡街 。因此 , 控制栅叶前缘水流的状况可以改变栅叶的振动特性 。从栅叶 S8 、D8 、F8 、G8 和 E8 的振动响应曲线可见 , 当栅叶前后缘有小倒角 ( 10mm 和 15mm) 时 , 栅叶在低折合流速区有一明显共振区 , 倒角越大 , 共振区的振幅值越小 。当倒角长度增至 30mm 时 , 共振区消失 , 且大折合流速区的振动也较小 , 但略高于方形前后缘栅叶 S8 的振动响应值 。随着倒角长度的进一步增加 , 栅叶在高流速区的振动值逐步减小 , 当倒角长度增至 50mm 时 , 栅叶的振动 响应曲线与方形栅叶的振动响应基本一致 (见图 7) 。图 7 体型 E8 和 S8 振动响应特性比较图 6 栅叶振动响应曲线41212 不同栅叶体型振动响应特性分析 Nguyen 和 Naudascher6 在分析矩形剖面绕流体振动机理时 ,根据振动机理不同将绕流体分为 3 种类型 : (1) 绕流体长宽比小于 2 时 , 绕流体振动的主要原因是尾 迹涡 , 即卡门涡街 。此时 , 绕流体的尾迹较宽 , 绕流体存在共振区 , 振动也比较强烈 ; (2) 绕流体长 宽比在 26 之间 , 水流在前缘处分离 , 前缘涡冲击绕流体的后缘 , 并在绕流体后脱落 。对于这类绕 流体 , 存在两个共振区 , 且振动比较强烈 ; (3) 前缘为流线型及长宽比远大于 6 的绕流体 , 水流仅在后缘处分离脱落 , 其尾迹流较窄 , 水流的斯特劳哈尔数较高 , 绕流体的振动也较小 。 上述几种拦污栅叶的振动特性具有以下几个特点 : 1) 栅叶前缘形状对拦污栅的振动响应有较大的影响 , 说明前缘处的分离旋涡对栅叶的尾迹流有一定的影响 。2) 体型 B8 、C8 和 D8 的脱落涡频率 和斯特劳哈尔数与方形前后缘栅叶 S8 比较接近 , 说明这几种栅叶的卡门涡街宽度相当 。在 S8 、B8 、C8 和 D8 这 4 种体型中 , 振动最小的是 S8 , 即方形前后缘栅叶 , 这也是 Nguyen 和 Naudascher 推荐的体 型 。体型 F8 、G8 和 E8 脱落涡的频率和斯特劳哈尔数明显增加 , 且前后缘倒角越大 , 栅叶脱落涡的 频率越高 。从流动特性来看 , 对于接近流线型 (不包括半圆型前后缘体型) 栅叶 , 水流在前缘处不易 分离 , 流过栅叶表面后水流在后缘尖点处分离 , 分离点的距离是 10mm 。如果将分离点的距离作为特 征长度计算斯特劳哈尔数 , 则体型 E8 和 G8 的斯特劳哈尔数分别是 0118 和 0117 , 与方形前后缘栅叶 很接近 。结合前一节的分析结果可见 , 接近流线型栅叶的尾迹涡宽度小 , 同时卡门涡的强度也较弱 , 因此 , 其栅叶振动特性较好 。(3) 体型 F8 、G8 、E8 和 S8 在距后缘 6cm 断面上最大垂向紊动强度分别是 28167 % 、24199 % 、16195 %和 22133 % (详细结果见文献 14 ) , 很显然 , 随着栅叶前后缘倒角的 增大 , 尾迹涡的强度逐渐减弱 , 栅叶的振动幅值也逐渐减小 。体型 E8 尾流的紊动强度小于方形前后 缘体型 S8 , 而其振动响应特性与 S8 基本相同 , 综合尾流特性和振动响应特性 , 体型 E8 优于 S8 。5结论通过对长宽比为 8 的不同前后缘栅叶振动响应特性的试验研究 , 得出了如下的结论 : (1) 栅叶前后缘形状是影响拦污栅栅叶振动强弱的最主要因素 。方形前缘栅叶振动较小 , 在本试验条件下 , 不存 在共振区 , 当栅叶前缘小倒角时 , 栅叶振动加强 , 且出现了共振区 , 随着栅叶前缘倒角的增加 , 栅叶 振动强度减弱 , 共振区消失 , 对于长宽比为 8 的栅叶当前缘倒角为 517 ( 体型 E8) 时 , 其振动响应 特性与方形前缘栅叶基本一致 。(2) 大倒角栅叶 (即接近流线型栅叶) 振动小的根本原因是脱落涡的 强度较弱及尾迹涡的宽度较小 , 这种体型的绕流特性较好 。(3) 接近流线型栅叶既有较好的振动响应 特性 , 又有较好的阻力特性 , 所以 , 在抽水蓄能电站拦污栅体型设计中应优先采用 。该研究结果对类似结构物的外形设计也有参考价值 。参考文献 :才君眉 , 沈熊 , 等. 天荒坪蓄能电站拦污栅水流特性研究1994 , 9 : 233 - 235.Syamalarao B C. 欧美一些水电站拦污栅被破坏的考察 J .见 : 泄水工程与高速水流论文集 C .1A .23456水力发电与坝工建设 , 1989 , (1) : 28 - 36.泄水建筑物的破坏与防治 M .成都 : 成都科技大学出版社 , 1996.林勤华. 抽水蓄能电站拦污栅的流激振动 J .水力发电 , 1992 , (12) : 12 - 23.水力发电 , 1982 , (11) : 62.皮仙槎 , 编译. 日本美国设计抽水蓄能电站拦污栅中的几个问题 J .Nguyen T D , Naudascher E. 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